6--微观世界.ppt

一 穷究物质结构之谜1古人对物质本原问题的探索2物理学的三大发现 1895年 物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中 意外发现了X光 X光的发现 第六章深入微观世界追求物质统一性 在对X光的研究中 物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素存在 就有贯穿辐射产生 由此证明 发射这种射线是铀原子自身的作用 放射性的发现物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置 证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的 并推算出其质量和电荷比值 电子的发现 3原子模型英国物理学家卢瑟福和他的合作者们做了用粒子轰击金箔的实验 粒子的散射 实验中产生的粒子大角度散射现象 使卢瑟福感到惊奇 因为这需要有很强的相互作用力 除非原子的大部分质量和电荷集中到一个很小的核上 大角度的散射是不可能的 为了解释这个实验结果 卢瑟福在1911年提出了如下的原子核式结构学说 在原子中有一个很小的核 叫做原子核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在半径10 15米原子核里 带负电的电子在核外空间里绕着核旋转 而原子半径却有10 10米 因此原子里面绝大部分是空虚的 原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数 所以整个原子是中性的 电子绕核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力 卢瑟福向人们描绘的原子世界 有些像太阳系里行星围绕太阳旋转一样 电子围绕着原子核不停的旋转 1897年 汤姆逊在实验中发现了电子 1911年卢瑟福由 粒子大角度弹性散射实验 又证实了带正电的原子核的存在 这个发现就是 原子根本就不是基本的粒子 而是由其内部的构件合成的结构 原子质量大部分集中于小小的原子核 原子核只有1厘米的1万亿分之1大小 因此 一个原子的绝大部分是一无所有的空间 电磁力使电子离不开原子核 原子核带有正电荷 原子核的周围是电场 电场使带负电荷的电子逃脱不了 这样 就从实验上证明了原子的存在 以及原子是由电子和原子核构成的理论 1932年 查德威克在用 粒子轰击核的实验中发现了中子 随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的 从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元 质子 中子和电子构成的统一的世界图像 质子带正电荷 中子不带电荷 质子和中子的质量分别都是电子质量的1800倍 人们更进一步认识到 中子核反应是研究核的更佳手段 进入到30年代 世界各地大多数著名的研究室及实验室都陆续转向了核物理研究 形成了这一领域研究的世界性高潮 此时 加速器已成为研究原子核与核物理应用技术的重要设备 原子物理 物理 技术 应用 固体物理晶体结构与缺陷 化学物理分子的形成与化学反应 天体物理原子光谱 等离子体物理激光机制 生物物理复杂大分子的结构 地球物理地磁场 量子电子学激光 频标 导航 通讯技术激光技术电离层技术 医学放射性效应 物理常数的测定 太空科学地球与行星 大气层 气象 能源科学新能源痕迹元素测量 环境科学污染的监测 强作用和弱作用的发现 物理学家们开始探寻原子核内部使原子核结为一体的力 这种力不可能是引力 因为引力太弱 也不可能是电磁力 因为同性的电荷是相斥的 所以 带有正电荷的质子如何竟能在一起相安无事就成了一个谜 显然 必定有一种很强的吸引力来克服质子之间的斥力 实验表明 使原子核成为一体的力要比电磁力强得多 这种力在质子的一定距离或范围之外就突然消失了 这距离很短 比原子核还要小 所以 只有最近的粒子才处于核作用力的范围之内 自20世纪30年代以来人们逐渐认识到 核力不是一种 而是两种 强力将核粒子粘在一起 但还有一种弱得多的力 弱力使某些不稳定的核粒子衰变 例如 介子和 子就是由于弱力而衰变的 有些粒子既能感受到强力 又能感受到弱力 但有些粒子则感受不到强力 这种感受不到强力的粒子一般都比较轻 包括 子 电子和中微子 强相互作用核子之间的核力 是一种比电磁作用大得多的相互作用 原子半径很小 质子间库仑斥力很大 但原子核却很稳定 所以原子核里质子间的除了库仑斥力外还有核力 只有在2 0 10的 15次方米的短距离内才能起作用 质子和质子之间 质子和中子之间 中子和中子之间都存在 核力是色力的间接效应 即强相互作用可以看作是夸克 胶子相互作用的间接结果 弱相互作用放射性 原子核自动放出某种粒子而转变成新核 衰变中电荷数和质量数都是守恒的 原子序数大于83的所有天然存在的元素 它们的原子核都是不稳定的 衰变 23892U 23490Th 42He 衰变 23490Th 23491Pa 0 1e宇称守恒 系统具有时间反演不变性 CPT 在弱相互作用过程中宇称不守恒 中微子是左手征 而反中微子却是右手征 基本粒子按照其质量 寿命 自旋以及参与的相互作用等性质 可分为轻子 强子 重子 介子 以及相互作用的传递子等 这些基本粒子所组成的基本粒子的世界中存在着四种相互作用 即引力相互作用 电磁相互作用 强相互作用和弱相互作用 引力作用在微观世界中太弱因此可以不考虑 基本粒子的特征和分类 粒子的特征质量 粒子静止时的质量 单位 Mev c2电荷 有的带正电 有的带负电 有的不带电 但所带的电量是量子化的 即是元电荷的整数倍 寿命 衰变为其它粒子以前存在的时间 质子 电子 中微子寿命长 质子可达1030s 其余的不稳定最短的只有10 25s 自旋 每个粒子好像是永不停息的陀螺 它的自旋角动量也是量子化的 配对出现 都存在反粒子 粒子的分类1 传播子 传递相互作用的粒子 13 光子 传递电磁作用有1种中间玻色子 传递弱相互作用有3种胶子 传递强相互作用有8种 引力子 传递引力作用有1种2 轻子 不参与强相互作用的粒子 12 电子 中微子 3 子 子共6类12种 注意 轻子的质量不一定小 3 强子 只参与强相互作用的粒子 质子 自旋半整数介子 自旋为0或整数轰击质子时出现了大角度的散射现象说明质子也有核的存在 夸克 层子 36 基本粒子共有 13 12 36 1 62种 夸克理论基本粒子如此之多 难道它们真的都是最基本不可分的吗 近40年来大量实验实事表明至少强子是有内部结构的 1964年盖尔曼提出了夸克模型 认为介子是由夸克和反夸克所组成 重子是由三个夸克组成 他因此获1969年物理奖 现代粒子物理学认为 夸克共有6种 味道 分别称为上夸克 下夸克 奇夸克 粲夸克 顶夸克 底夸克 它们组成了所有的强子 四种相互作用 世界所有千变万化现象 都是费米子通过玻色子在四种相互作用下惹的祸 引力相互作用 媒介粒子 引力子 强度 最弱 作用距离 长 电磁相互作用 媒介粒子 光子 强度 强 作用距离 长 强相互作用 媒介粒子 胶子和介子 强度 最强 作用距离 短 弱相互作用 媒介粒子 中间玻色子 强度 较弱 作用距离 短 力的统一理论大自然有四种基本力 这数目似乎太多了 很可能这四种基本力并不是真正独立的 麦克斯韦在19世纪60年代提出了一个数学式 使电力和磁力统一于一个单一的电磁场理论 很可能还会有进一步的综合 实现这一宏伟目标的第一步是斯蒂芬 温伯格和阿布杜斯 萨拉